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Thermoelement. Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Thermoelement.
Durch folgende, vom Antragsteller entdeckte neue physikalische Tatsache wird seine
innere und äußere Gestaltung grundregend bestimmt und: von derjenigen der bisher
bekannt gewordenen Thermoelemente unterschieden.
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Ein massiver metallischer Leiter zeigt im Temperaturgefälle i. keinen
elektrischen Spannungsunterschied seiner Enden. Der nur theoretisches Interesse
fördernde Thomsoneffekt ist praktisch ohne Bedeutung, es wird von ihm hier abgesehen;
2. seine Wärmeleitfähigkeit ist nach dem allgemein anerkannten »Gesetz von W i e
d e -m a n n und F r a n t z« stets direkt proportional seinem elektrischen Leitvermögen.
Das Leitvermögen -für Wärme hängt demzufolge ausschließlich vom Widerstand des massiven.
Leiters gegen Elektrizität ab, und eine Veränderung des Verhältnisses der Leitfähigkeiten
für Wärme und Elektrizität ist bei einem massiven Leiter nach genanntem Gesetz ummöglich,
einerlei welche Form man dem Leiter auch geben mag. Für einen. massiven Leiter von
bestimmtem elektrischen Widerstand kann der Wärmedurah'gang durch Veränderung der
äußeren Form also niemals verringert werden.
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Hierin tritt aber sofort eine vollständige Änderung ein, wenn der
bisher massive Leiter in dünne Fäden, in Wärmekapillaren, - von möglichst geringem
Querschnitt zerlegt wird, die gegeneinander durch Luft oder andere Mittel isoliert
sind. Diese Zerlegung der Wärmeleiter, welche die Paare eines Thermoelementes bilden,
in Metallkapillaren von möglichst geringem Querschnitt bildet das Konstruktionsprinzip
des vorliegenden Thermoelementes und sein unterscheidendes Merkmal gegenüber den
bisher bekannten durchweg massiven Thermoelementen.
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Auf oder beiliegenden Zeichnung sind in schematischer Darstellung
verschiedene Ausführungsformen wiedergegeben: Fig. i zeigt die Form desThermoelementes,
Fig.2 die Verbindung der Elemente mit den. auswechselbaren Spitzen, die das Wärmezufuhrstück
tragen, Fig. 3 eine Thermosäule mit Heizung.
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Die bei der Zerlegung eines solchen massiven Wärmeleiters in dünne
Wärmekapillaren auftretenden neuen physikalischen Tatsachen sind die folgenden:
i. zeigt der in solche isolierte Metallkapillaren zerlegte Wärmeleiter eine erhebliche
elektrische Potentialdifferenz seiner Enden, und-2. zeigt er einen außerordentlich
gesteigerten Widerstand gegen Wärmeleitung bei unverändertem elektrischen Widerstand.
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3. Mit wachsendem Grade der Unterteilung, d.. h. j e kleiner, die
Querschnitte der Kapillaren, werden, nimmt sowohl die elektrische Potentialdifferenz
der Enden_ als auch der Widerstand gegen- Wrmedurchgang rasch zu. So ist bei einem
Querschnitt
der Kapillaren von. 5'10o bis . zo/ioo mm Durchmesser der Wärmedurchgang nicht mehr
proportional r2 7c, sondern proportional r4 r, analog dem Gesetz von P o i s e u
i.11 e, nach welchem bei Flüssigkeits- oder Gaskapillaren die durchgehende Menge
bei bestimmtem .Druckunterschied proportional r4 der vierten Potenz des Halbmessers
ist. Das Gesetz von P o i s e u -i 11 e gilt also auch für Wärmekapillaren von genanntem
Durchmesser, und in der Zerlegung eines metallischen Leiters in solche Kapillaren
hat man ein Mittel sowohl :den Wärmedurcbgang eines Thermoelements zu verringern
als auch seine elektromotorische Kraft zu steigern.
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q., Diese Drosselung des Wärmedurch.-ganbgs, verbunden mit Entstehung
elektrischen Spannungsunterschiedes der Enden des War--, rneleiters, durch Zerlegung
des letzteren in Wärmekapillaren ist allen metallischen Leitern- .eigen, einerlei,
welche Form sie haben. BeideEigenschaften erfahren, aber .eineweitere Steigerung,
wenn der so in Wärmekapillaren zerlegte Leiter eine enge -Einschnürttng, eine Drosselstelle
(wie bei a zwischen def hier schräg [Fig. i und 3] gestellten Wärmezufuhrteil g
und Wärmeabfuhrteil b der Fig. i') erhält. Durch diese Einschnürung, ebenfalls unterteilt,
erfolgt. eine weitere Drosselung des Wärmestromes, die beim. massiven Leiter nach
dem Wiedemann-Frantzschen Gesetz unwirksam bleibt, beim unterteilten aber sowohl
eine weitere Verringerung des Wärmedurchgangs als eine Steigerung des elektrischen
Spannungsunterschiedes an den Enden herbeiführt. Die Erklärung hierfür ist die folgende:
Beim Durchgang von Flüssigkeiten, Gasen und, wie obige Ausführungen zeigen, auch
von Wärme durch Kapillaren wird stets ein Teil der durchströmenden. Energie in andere
Energieform umgewandelt, bei Flüssigkeiten, Gasen usw. in Reibungswärme, bei Wärme.
strömung in elektrische Energie. Der Betrag der umgewandelten Energie hängt in allen
Fällen von der Strömungsgeschwindigkeit ab. Wird letztere an einer Stelle erhöht,
so wird auch dieser Betrag und damit die Potentialdifferenz erhöht. An der Drosselstelle
ist demnach die Strömungsgeschwindigkeit der Wärme, die Abscheidung von Elektrizität
und somit die elektrische Potentialdifferenz erhöht. Der gedrosselte unterteilte
Wärmeleiter muß daher größeren elektrischen Spannungsunterschied zeigen als ein
ungedrosselter unterteilter Leiter und noch weiter verringerter Wärmedurchgang.
als dieser.
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Die günstigste Form für die beiden Zweige eines Thermoelementes ist
demnach ' gegeben durch den »unterteilten und gedrosselten. Wärmeleiter«, Die vorliegende
Erfindung nutzt die Ka-'! pillärwirkung auch für den Wärmestrom aus, dies ist das
Wesentliche und Neue.
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Nach allen praktischen Erfahrungen soll E die Drosselung des Energiestromes,
z. B. bei Flüssigkeiten, Gasen, Dämpfen nicht schroff, sondern stoßfrei und daher
stetig erfolgen. Demgemäß ist auch bei der in Fig. i dargestellten Form .des Wärmeleiters
dieses Thermoelements, einer in Wärmekapillaren zerlegten .Platte aus dünnem Blech,
der Übergang von Wärmez.ufuhrstück g über die i Drosselstelle a nach dem Wärmeaustritt
b kein schroffer, sondern ein stetiger. Die geometrische Gestalt der begrenzenden
Seitenkurven wie des Wärmeein- und -austritts ist denen bei Gas- und Dampfdüsen
durchaus entsprechend und kann wie bei diesen ver-"schiedenartig (auch für das gleiche
Temperaturgefälle verschiedenartig) gewählt werden. Als alleinige; hinreichende,
aber notwendige Bedingung gilt, d'aß die äußere geometrische Gestaltgebung, bei
möglichst hoher Strömungsgeschwindigkeit an der Drosselstelle, einen stoßfreien,
stetigen Wärmedurchgang gewährleiste. Im übrigen kann sie nach praktischen Bedürfnissen
beliebig gewählt werden.
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Der Wärmeleiter des vorliegenden Thermo.-elementes ist also. dadurch
gekennzeichnet, d''aß er i. in möglichst dünne isolierte" Metallkapillaren zerlegt
ist und eine Drosselstelle, Einschnürung, besitzt, 2. daß seine äußere geometrische
Form einen stetigen, stoßfreien Wärmedurchgang gewährleiste, im übrigen aber nach
Bedürfnis gewählt werden kann.
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Zwei solcher Wärmeleiter aus verschiedenen Metallen bilden, in bekannter
Weise verlötet, die Paare eines Thermoelementes, das gegenüber den bisherigen Elementen
stark verringerten Wärmedurchgang, erhöhte elektromotorische Kraft und somit erhöhten
Wirkungsgrad aufweist.
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Diejenigen Teile des Thermöelementes, welche der Wärrnezüfuhr dienen,
sind bekanntlich der Zerstörung besonders ausgesetzt. Es ist daher von Vorteil,
sie erneuern zu können, ohne das. sonstige Gebäude der Thermosäule verändern zu
müssen.
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Zu dem Zweck sind die auszuwechselnden Wärmezufuhrstücke g oberhalb
der Drosselstelle a mit Schlitzen versehen:, die über entsprechend gestaltete Enden
der verbleibenden Elernententeile geschoben und verlötet werden, Die Entfernung
eines so armierten
Wärmezufuhrstückes und der Ersatz durch ein neues
ist leicht zu bewerkstelligen. Bis auf die zu ersetzenden Teile bleibt die Säule
in dem ursprünglichen Zustand.
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Erwähnt sei hierbei noch, daß zwischen den Elementen f ' Isoliermaterial
.eingelagert ist. Der äußere Teil i der Elemente stellt das Kühlstück dar (Fig.
a): Die Kleinheit der- Massen erfordern eine besondere automatisch regelnde Heizung
durch ein Zwischenmittel, z. B. Öl, das gleichzeitig isolierend wirkt. Fig: 3 zeigt
die bekannte Einrichtung. Das im Behälter m geheizte Öl steigt im Rohre n hoch und
kehrt durch den -Rum zwischen diesem Rohr n und der inneren Säulenwand, indem es
an die dortigen Wärmezufuhrstreifen Wärme abgibt, zurück. Es zeigt p den Temperaturregulator,
q die Abgasleitung, y die Heizflamme, s den Kühlwassexanschluß und t den Wasserablauf.
Die Elemente sind mit a bezeichnet.
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Bei größeren Säulen ist die Heizung von diesen getrennt. In besonderem
Behälter wird das Heizmittel, z. B. Öl, hoch erhitzt und das Öl in der Säule damit
erwärmt. Der besondere Behälter dient als Wärmeakkumulator. Die gesamte Anlage wirkt
alsdann wie elektrische Akkumulatoren. An Stelle der Elektrizität ist. Wärme akkumuliert.